埃塞俄比亞國家銀行基坑樁錨支護位移分析

喻 杰1，張 梁2

（1.中國十五冶金建設集團有限公司，黃石 435000；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070）

1 工程概況

WEGAGEN銀行大樓位于埃塞首都亞的斯亞貝巴市中心，是一棟集辦公、購物、餐飲為一體的高層建筑。建筑總高度為109.67m，總建筑面積為32159m2，地下室基底最大深度15.2m。該工程為現澆鋼筋混凝土框架－剪力墻結構。根據當地的地質勘察報告，總結得到場地的土層分布信息可見表1。

該工程的基坑支護方案如下：基坑平面為不規則的近似長方形平面，依次分為ab、bc、cd、de、ef、fg、ga七段。基坑開挖深度為13.07～13.67 m，采用混凝土灌注樁加預應力錨桿支護形式，支護樁徑為1000mm，樁長為22m，樁心距為1.3m，混凝土強度采用C35。錨桿四排，局部區域加密。錨桿采用φ25鋼筋，水平間距為2.6m。豎向間距多為2.5m，根據實際情況有加大和減小。錨桿總長、自由段、錨固段長度因不同區域不同。錨桿孔徑為160mm，傾角為15°，樁頂設置鋼混冠梁，每層錨桿均設置腰梁。預應力根據設計要求不同部位取值不同。該文取bc段的樁錨支護結構為例進行計算，具體信息見表2。

表1 土層計算參數

表2 撐錨結構信息表

2 計算模型

該文所提出的方法和計算模型是把支護樁當成垂直放置的多跨連續梁結構，將預應力錨桿當做彈性支座。將其簡化成結構力學模型利用矩陣位移法，考慮錨桿的剛度對支護樁剛度的影響和預應力對結構位移的影響。建立矩陣位移方程，將支護樁、錨桿和土體的共同工作統一起來進行計算。通過列出矩陣位移方程建立支護樁的內力和變形位移的聯系，通過求解方程來得出支護結構的水平位移。在建立模型之前根據工程實際經驗，先給出以下假定［1－3］：

1）坑底以上作用在支護樁上擋土側的水平土壓力為主動土壓力，嵌固段擋土側為主動土壓力，基坑內側為被動土壓力。

2）預應力錨桿所在的位置在對其施加預應力之前的水平位移應為零。

3）考慮預應力錨桿的變形，將預應力錨桿考慮成彈性支座。

4）支座樁在平衡狀態下嵌固段有彎矩零點存在，在彎矩為零處將梁斷開以簡支計算。可在此點處加入一個固定鉸支座，繪制支護結構計算簡圖，見圖1。

根據工程實際情況結合給定的假定繪制結構計算簡圖，繪制土層分布和荷載情況，按照施工及設計情況確定支護樁的樁長和嵌固深度以及預應力錨桿的布置。

單元剛度計算矩陣及預應力錨桿水平剛度系數KT的公式如下［4］

式中，E為混凝土的彈性模量，L為每個單元長度，I為截面慣性矩，EI為樁身抗彎剛度；A為桿體截面積，Es為桿體彈性模量，Ec為錨固體組合彈性模量，Ac為錨固體截面面積，Lf為錨桿自由段長度，La為錨桿錨固段長度，α為錨桿水平傾角，Em為在錨固體中注漿體的彈性模量。

根據對固端約束力求解和從局部坐標系到整體坐標系的整合就可以得到支護樁即連續梁的整體剛度矩陣和等效節點荷載。之后就可以依據矩陣位移法的基本原理 ，得到樁錨支護結構共同作用的總的平衡方程［5］。在利用MATLAB軟件編制相應的求解程序后，就可以帶入數據運行計算出各開挖完成后樁身各處的水平位移如下表。通過同樣的大量計算可得到其他段和整個基坑工程在采用樁錨支護結構情況下的位移的特點。

表3 bc段支護樁的水平位移計算值

3 位移監測

該工程按照監測方案對基坑的樁頂水平位移、基坑周圍土體的沉降和樁身的不同深度水平位移進行觀測，時間從2013年1月1日起至2013年3月26日，時間范圍涵蓋了整個基坑開挖支護的各個施工階段。對所取得的數據繪制趨勢圖，作出各種位移隨時間變化的典型特征曲線，見圖2～圖5。

樁頂的水平位移可以直接反應出樁體結構的穩定性，水平位移數值的大小有助于確定土體和支護結構的穩定狀態［6］。該工程按各個方向的基坑邊分類來繪制基坑的樁頂水平位移曲線。

在該工程中，自西向東順時針布置測斜點，依次編號X1號到X6號。考慮施工過程中的影響結合測試得到的數據，分別作出X1、X3、X4、X6四個測斜點的支護樁水平位移在各個工況時間段隨深度變化的曲線，其中X1、X3、X4、X6分別位于基坑的南、西、北、東側，見圖6～圖9。

在基坑開挖的過程中，按照監測方案對基坑的地表沉降進行測量，收集數據結合工程施工過程按基坑開挖過程分四步，對基坑地表土體在遠離基坑邊距離方向的沉降趨勢進行繪制，見圖10。

4 結 語

該文提出的對超深基坑多支點樁錨支護結構水平位移進行計算的方法，利用MATLAB編制相應的程序求解方程來得出支護結構的水平位移。通過工程的實際監測和數據分析得到了深基坑多支點樁錨支護結構的水平位移和土體沉降的規律。

支護結構產生水平位移主要在基坑的開挖階段，在開挖深度不深和還未進行錨桿施工的情況下，各個支護樁的水平隨深度變化位移呈現“倒三角形”分布。當基坑開挖較深，開挖完畢和錨桿支護完成后，樁身的水平位移曲線已基本趨于穩定，各個支護樁的水平位移隨深度呈現出弓字形變化，樁身水平位移的最大值也由初始的樁頂位置逐步向下移動到支護樁的中部位置。同一基坑的不同方位支護樁的位移由于受到不同的外部荷載影響會呈現不同的變化幅度，導致在整個基坑四周的支護結構向基坑內的水平位移和沉降會有大有小。地表土體的沉降與其距基坑邊的距離有關，距離基坑的距離越遠，受到的影響和擾動越小，所以在距離基坑邊較遠的位置土體還能保持整體的穩定發生的沉降很小甚至不發生沉降。在靠近基坑邊的位置沉降由于支護結構的作用沉降并不是最大位移位置，最大的位移出現在距離基坑邊大約一倍基坑深度的地方，這使得地表沉降呈弓字形變化且距離基坑的距離越遠其沉降越小。

由于時間和水平的限制，文中還存在很多的問題需要進一步的完善和研究。為了簡化模型便于計算，該文暫未考慮基底以下樁與土的作用。實際工程中樁身在彎矩零點以下還受到被動土壓力，計算中將這段的影響考慮進去將會使結果更加精確。

［1］黃 強.深基坑支護結構實用內力計算手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1995.

［2］劉云霞.基坑支護系統的變形機理及施工控制的研究［D］.北京：北京交通大學，2011.

［3］俞建霖，龔曉南.基坑工程變形性狀研究［J］.土木工程學報，2002，35（4）：86－90.

［4］中華人民共和國行業標準.建筑基坑支護技術規程（JGJ 120－2012）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［5］龍馭球，包世華.結構力學教程［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］謝才軍，林賢根.基坑變形監測與VB編程［M］.杭州：浙江大學出版社，2012.